劉志明，周真中2，王永強，洪曉峰

(1.長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室，武漢 430010；2.宜昌市水資源管理中心，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

承載力源于生態(tài)學(xué)概念，最初只在生物學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。1920年，Pearl和Reed證明了北美地區(qū)的人口增長符合生物數(shù)量增長的對數(shù)方程(logistic equation)，隨后承載力概念在人口、自然資源、環(huán)境規(guī)劃等領(lǐng)域得到了廣泛研究和應(yīng)用[1]。20世紀(jì)80年代初，自然資源供需矛盾加劇，聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織提出了資源承載力的概念[2]。水資源承載力是承載力概念與水資源領(lǐng)域的自然結(jié)合，其概念由我國學(xué)者在20世紀(jì)80年代末提出，目前沒有統(tǒng)一表述，但可以概括為水資源對區(qū)域社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的承載程度或最大承載規(guī)模，常用的研究方法有模糊綜合評價、主成分分析、多目標(biāo)決策分析、系統(tǒng)動力學(xué)法等[3]，通過選取單指標(biāo)或者多指標(biāo)對照評價標(biāo)準(zhǔn)或進(jìn)行系統(tǒng)模擬推演得到定性或定量的承載程度(如超載)或最大規(guī)模(如人口和GDP等)[4-6]。水資源承載力研究涉及“水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)，集綜合評價與預(yù)測分析為一體[7-8]。目前關(guān)于水資源承載力預(yù)測的研究相對較少，且存在預(yù)測年限越長結(jié)果越不精確的問題，關(guān)于預(yù)測結(jié)果合理性的研究相對更少。本文以宜昌市為例，在綜合評價的基礎(chǔ)上，基于灰色系統(tǒng)理論，建立GM(1，1)灰色預(yù)測模型，對宜昌市水資源承載力進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合宜昌市現(xiàn)狀及未來發(fā)展規(guī)劃，對其社會經(jīng)濟發(fā)展情景模式進(jìn)行深入探討，并給出合理性建議。

圖1 水資源承載力綜合評價和預(yù)測分析流程Fig.1 Flowchart of comprehensive evaluation and prediction of carrying capacity of water resources

2 研究方法

2.1 研究流程

本文研究流程如圖1所示。以宜昌市為例，基于驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(Driving forces-Pressure-State-Impact-Response，DPSIR)模型框架[9]和“水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)，構(gòu)建宜昌市水資源承載力評價指標(biāo)體系；采用層次分析法(AHP)，重點突出生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，確定各評價指標(biāo)權(quán)重；簡化Logistic對數(shù)增長方程，提出Logistic對數(shù)承載模型，計算各評價指標(biāo)承載力；使用綜合指標(biāo)法，計算水資源復(fù)合系統(tǒng)承載力并進(jìn)行綜合評價；建立GM(1，1)灰色預(yù)測模型，結(jié)合區(qū)域現(xiàn)狀及未來發(fā)展規(guī)劃，對水資源復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行合理情景假設(shè)。

2.2 DPSIR模型及AHP法

根據(jù)宜昌市實際情況，在DPSIR模型系統(tǒng)整體框架下，遵循代表性和可操作性原則，選取12個評價指標(biāo)，構(gòu)建“水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境”評價指標(biāo)體系，然后使用AHP法求權(quán)重，評價指標(biāo)體系及AHP權(quán)重如表1所示。

2.3 Logistic對數(shù)承載模型

水資源復(fù)合系統(tǒng)發(fā)展過程可以用Logistic 對數(shù)方程表示[10]，本文將其發(fā)展過程簡化為對數(shù)形式，并根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)濟發(fā)達(dá)區(qū)平均水平狀況以及中國生態(tài)省(市、縣)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，參考相關(guān)學(xué)者研究成果并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，構(gòu)建各評價指標(biāo)Logistic對數(shù)承載模型，具體模型如表2所示。

2.4 灰色預(yù)測模型

灰色系統(tǒng)理論是鄧聚龍教授在20世紀(jì)80年代初提出并發(fā)展起來的，灰色系統(tǒng)理論認(rèn)為，盡管某些系統(tǒng)的信息不夠充分，但系統(tǒng)必定是有序且具有特定功能的，只是其內(nèi)在規(guī)律不外顯?；疑A(yù)測是一種對含有不確定因素的系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測的方法，通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行生成處理，尋找系統(tǒng)變動的規(guī)律，然后建立模型對系統(tǒng)未來發(fā)展作出預(yù)測。在廣義層面上，灰色系統(tǒng)理論認(rèn)為任何系統(tǒng)都可看作一個能量系統(tǒng)，而能量系統(tǒng)具有能量聚積和衰減的趨勢，指數(shù)遞變是能量變化的一種形式[14]?；诓罘治⒎址匠痰腉M(1，1)灰色預(yù)測模型建立步驟如下[15]。

表1 宜昌市水資源承載力評價指標(biāo)體系及AHP權(quán)重Table 1 Evaluation index system of carrying capacity of water resources in Yichang and weights using AHP method

表2 宜昌市水資源承載力Logistic對數(shù)承載模型Table 2 Logistic logarithmic calculation model of carrying capacity of water resources in Yichang

第1步：對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一次累加。

原始數(shù)據(jù)為

X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)} 。

(1)

一次累加后為

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)} 。

(2)

第2步：構(gòu)造累加數(shù)據(jù)矩陣B和參數(shù)向量Y，即

Y=[x(0)(2),x(0)(3),…,x(0)(n)]T。

(4)

第3步：求解參數(shù)α，μ，由式(5)求得。

(5)

第4步：將參數(shù)代入方程，求出累加預(yù)測解，即

(6)

第5步：求出原始預(yù)測值，即

(7)

第6步：計算殘差序列，即

(8)

第7步：模型精度檢驗，即

(9)

(10)

小誤差概率

(11)

表3 灰色預(yù)測模型精度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Criterion of the accuracy of grey forecast model

3 實例研究

3.1 水資源承載力綜合評價

表4給出了2005—2015年宜昌市水資源承載力評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，圖2展示了2005—2015年宜昌市“水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)綜合承載力，表5給出了承載力評價標(biāo)準(zhǔn)。

表4 2005—2015年宜昌市水資源承載力評價指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 4 Data of evaluation indices of carrying capacity of water resources in Yichang from 2005 to 2015

圖2 2005—2015年宜昌市“水資源-社會經(jīng)濟- 生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)綜合承載力Fig.2 Comprehensive carrying capacity of “water resource and social economy and ecological environment” system in Yichang from 2005 to 2015

承載力取值范圍[0,0.2](0.2,0.6](0.6,0.8](0.8,1]等級評價IV(極差)III(較差)II(較好)I(良好)

從圖2可知，宜昌市水資源子系統(tǒng)承載力經(jīng)歷了先增長后穩(wěn)定的過程，主要原因是宜昌市用水效率不斷提高，引起萬元GDP用水量(C3)呈指數(shù)趨勢下降。2007年水資源子系統(tǒng)承載力開始穩(wěn)定在Ⅰ級(0.85上下)，狀態(tài)良好。社會經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力持續(xù)較快增長，除第三產(chǎn)業(yè)GDP占比(C7)呈下降趨勢外，其他評價指標(biāo)都不斷變好。社會經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力從2014年開始進(jìn)入狀態(tài)較好的Ⅱ級，發(fā)展?fàn)顟B(tài)很好。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力在0.66附近波動，主要原因是全年期河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(C10)波動變化明顯。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力除2013年為Ⅲ級外其他年份都為Ⅱ級，狀態(tài)較好。水資源綜合承載力呈緩慢增長趨勢，主要原因是社會經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力持續(xù)增長，2005—2015年水資源綜合承載力都為Ⅱ級，現(xiàn)狀和發(fā)展?fàn)顟B(tài)都較好。

3.2 未來水資源承載力預(yù)測

表6給出了宜昌市水資源承載力GM(1，1)灰色預(yù)測模型2005—2015年模擬結(jié)果及2020年、2025年、2030年預(yù)測結(jié)果，其平均相對誤差rel=0.023，方差比c=0.597，小概率誤差p=0.818，分別對應(yīng)合格、勉強、合格等級，整體來說GM(1，1)灰色預(yù)測模型檢驗通過。

表6 宜昌市水資源承載力模擬及預(yù)測結(jié)果Table 6 Simulation and prediction results of carrying capacity of water resources in Yichang

3.3 宜昌市水資源現(xiàn)狀及未來發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)第二次《宜昌市水資源評價》(2015年)[16]，宜昌市多年平均水資源總量為134.96億m3。2015年宜昌市水資源總量為103.10億m3，河道外用水總量為16.61億m3，水資源開發(fā)利用率達(dá)16.11%，預(yù)測2020年、2030年宜昌市在保證率為75%時水資源開發(fā)利用率分別為24.2%和31.9%。通過分析計算，在保證率為50%、75%和95%時，宜昌市水資源開發(fā)利用程度較高，開發(fā)潛力不大。2013年1月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《實行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》，確立水資源開發(fā)利用控制紅線，實施用水總量控制，2015年宜昌市用水總量控制指標(biāo)為20.24億m3，2020年為22.40億m3，2030年為23.26億m3。2015年宜昌市在湖北省實施最嚴(yán)格水資源管理制度考核中排名第一，2017年宜昌市在全市范圍內(nèi)實施最嚴(yán)格水資源管理制度，進(jìn)一步落實最嚴(yán)格水資源“三條紅線”(水資源開發(fā)利用控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污)管理。

表7 未來水平年3個子系統(tǒng)承載力、AHP綜合承載力及模型檢驗參數(shù)Table 7 Prediction results of comprehensive carrying capacity of three subsytems in target years using AHP method and corresponding model testing parameters

表8 未來水平年宜昌市水資源子系統(tǒng)承載力預(yù)測結(jié)果Table 8 Prediction results of carrying capacity of water resource subsystem in Yichang in target years

近10 a來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，宜昌市生態(tài)環(huán)境問題加劇，河流湖泊水質(zhì)有所下降，造成水環(huán)境污染的主要原因有：①未經(jīng)處理的廢污水排放持續(xù)增加，2015年宜昌市廢污水排放量是2005年的1.7倍；②經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護(hù)不協(xié)調(diào)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)技術(shù)含量低、能耗高、污染重，點源污染給生態(tài)環(huán)境特別是水環(huán)境造成嚴(yán)重影響；③水土流失以及化肥、農(nóng)藥的不合理使用，造成面源污染及河流湖泊富營養(yǎng)化；④水庫梯級開發(fā)，修建攔水壩后河水流速減緩，河流自凈能力下降。2015年11月底，宜昌市政府印發(fā)《關(guān)于全面實行“河長制”加強河流生態(tài)保護(hù)的意見》，在湖北省率先建立以行政首長負(fù)責(zé)制為核心的河長制，為責(zé)任河流把脈問診，研究“一河一策”治理方案，目前已基本實現(xiàn)市、縣、鄉(xiāng)三級河長全覆蓋。截至2016年底，宜昌市河(湖)長制已覆蓋河流336條、湖泊11個，2016年宜昌市水環(huán)境質(zhì)量明顯提升，納入湖北省地表水考核的8個斷面(共9個)均穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，2個斷面水質(zhì)由年初的劣Ⅴ類好轉(zhuǎn)為Ⅱ-Ⅲ類，納入湖北省跨界斷面考核的7個斷面均達(dá)到考核要求。

3.4 未來社會經(jīng)濟發(fā)展預(yù)測分析

從表6可知，未來時期宜昌市水資源承載力將持續(xù)上升，于2020年、2025年、2030年分別達(dá)到0.740，0.780，0.822。為評估未來時期宜昌市水資源承載力預(yù)測值的準(zhǔn)確性，表7給出了未來水平年水資源、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境3個子系統(tǒng)承載力、AHP綜合承載力及模型檢驗參數(shù)。從表7可以看出，AHP綜合承載力與GM(1，1)模型預(yù)測值相差不大，但相對誤差隨時間在變大(1.3%，3.3%，6.0%)；水資源子系統(tǒng)和社會經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力將持續(xù)上升，模型檢驗參數(shù)均優(yōu)于GM(1，1)整體預(yù)測模型，其中社會經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力模擬精度很高，預(yù)計2030年其將達(dá)到1.178；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力將持續(xù)降低，3個模型檢驗參數(shù)均未通過檢驗(不合格)。

上述結(jié)果表明，雖然使用GM(1，1)灰色預(yù)測模型存在一定誤差，但對未來水平年宜昌市水資源承載力發(fā)展規(guī)劃仍具有參考價值。本文將上述2種方法預(yù)測結(jié)果取平均后略微修正，得到2020年、2025年、2030年宜昌市水資源承載力發(fā)展目標(biāo)分別為0.75,0.80,0.85。

表8給出了未來水平年實施用水總量控制的宜昌市水資源子系統(tǒng)承載力預(yù)測結(jié)果。其中宜昌市水資源總量取多年平均值，人口(變化幅度很小)按2005—2015年數(shù)據(jù)線性擬合預(yù)測，萬元GDP用水量按30%，25%，20%每5 a遞減預(yù)測。

表9給出了未來水平年4種情景假設(shè)下的社會經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力預(yù)測結(jié)果(前提條件：科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和社會管理水平提高未有階段跳躍性突破)。情景1：生活污水排放量(C9)、生態(tài)環(huán)境用水量(C11)、森林覆蓋面積(C12)增加趨勢不變，河流水質(zhì)(C10)未改善；情景2：生活污水排放量增加趨勢得到控制，河流水質(zhì)改善較大；情景3：生活污水排放量呈減少趨勢，河流水質(zhì)改善明顯；情景4：生活污水排放量呈減少趨勢，河流水質(zhì)改善明顯，生態(tài)環(huán)境用水量和森林覆蓋面積增加明顯。

表9 未來水平年4種情景假設(shè)下的宜昌市社會經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力Table 9 Prediction results of carrying capacity of social economy subsystem in Yichang in target years under four scenarios

從表9可以看出，在給定的水資源承載力發(fā)展目標(biāo)下，情景1社會經(jīng)濟發(fā)展模式可持續(xù)性較低；情景2可持續(xù)性不高；情景3可持續(xù)性較好；情景4可持續(xù)性最高，但受生態(tài)環(huán)境保護(hù)影響較大，發(fā)展速度相對情景3較慢。

4 總結(jié)與建議

本文在水資源承載力綜合評價的基礎(chǔ)上，建立了GM(1，1)灰色預(yù)測模型，討論了其預(yù)測結(jié)果的不確定性，并結(jié)合最嚴(yán)格水資源管理制度和河長制等生態(tài)環(huán)境治理行動，探討了未來水平年4種情景假設(shè)下的宜昌市社會經(jīng)濟發(fā)展模式。研究結(jié)果表明，未來水平年宜昌市水資源綜合承載力狀態(tài)良好(2025年左右達(dá)到Ⅰ級)，在用水總量控制和情景3(生活污水排放量呈減少趨勢，河流水質(zhì)改善明顯，生態(tài)環(huán)境用水量、森林覆蓋面積增加趨勢不變)發(fā)展模式下，社會經(jīng)濟發(fā)展可持續(xù)性較好，發(fā)展速度較快，生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好，建議宜昌市社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。